柱塞气举井操作优化研究进展

曹 宇 高小永 左 信

（中国石油大学（北京）信息科学与工程学院）

天然气作为清洁高效的低碳化石能源，肩负着能源消费结构从化石能源向可再生能源过渡的重要使命，在“双碳战略”目标背景下，大力发展天然气是中国建设清洁低碳能源体系的必然选择。2010～2020 年的天然气消费量数据也显示，我国天然气的消费量居高不下，呈逐年陡增的趋势［1，2］。 随着国内天然气需求的不断攀升，供需矛盾日益突出，天然气的高效开采对于缓解其供需矛盾至关重要［3］。

在天然气的开采过程中， 随着开采不断推进，气井产量不断降低，气体流速持续减小，并且由于井底能量不足以携带全部积液出井筒，导致积液在井底不断累积形成液柱，液柱进而对气井增加额外的回压使得其自喷能力下降，导致产量降低，转变成低产低效井，低产低效井产能无法稳定释放，严重影响气井开发效益，造成巨大的经济损失。 为了减少气井积液累积带来的危害，现有的解决技术有间歇气举、泡沫排水、电潜泵及柱塞气举等。 间歇气举需要使用压缩机；泡沫排水不适用于大规模井组且在气井压力较低的情况下无法满足清理积液的需求；电潜泵存在成本高和易老化的问题； 柱塞气举工艺成本低、维护方便，同时能够达到较好的增产和清理井筒积液的效果。 但是柱塞气举作业存在规模大、井间相互影响大及操作优化难度大等难题和挑战。

在我国， 柱塞气举井占比大且呈增加趋势，以苏东南区为例，柱塞气举井达175 口，占苏东南区气井总数的24.10%［4］，如何提高柱塞气举工艺的操作效率，完善优化开关井生产制度，最大程度地发挥柱塞气举工艺的优势，形成高经济效益，成为当前重要的研究热点。 笔者综合了近年来柱塞气举工艺操作优化的相关研究成果，重点阐述单井优化模型、 井群优化模型和优化算法3个主要研究方向的研究进展，对该领域现有成果进行了总结分析，并在此基础上，对柱塞气举未来的发展趋势进行展望。

1 柱塞气举井操作问题描述与难点分析

1.1 柱塞气举工艺问题描述

柱塞气举工艺是通过间歇开关井的方式积攒能量，从而推动油管内柱塞上下往复运动排出井筒积液，并进行天然气开发的排水采气方法［5］，其工作原理如图1 所示［6］。

图1 柱塞举升的工作原理

柱塞在自身重力作用下沉没到安装在生产管柱底部的卡定器上，同时关井。 随着天然气在柱塞下方和油套环空之中聚集，井底天然气能量开始恢复，当井底压力增大到一定值时，打开井口阀门，在油套压差的作用下，油套环空中的天然气进入油管，依靠气体能量将柱塞及其上方液体一同向上举升，液体被排出井筒，同时天然气产出，此时气井仍可继续生产，直到井底重新开始积液、积攒的天然气能量释放后，柱塞气举完成一个工作周期。 然后关闭井口，柱塞重新回落到卡定器顶部，继续重复上述工作周期。 柱塞作为地层产出气与井筒积液之间的固体分界面，可以有效降低液体漏失回落， 从而减少滑脱损失，提升气举效率。

1.2 柱塞气举工艺操作难点分析

柱塞气举工艺在应用过程中仍然面临着以下的问题和挑战：

a. 管理以人工为主，风险大、成本高。 柱塞气举采气工艺操作过程变化较大，需要专业人员管理， 具体的管理制度也需要做出必要的调整，每天的开关井时间需要多次设定，如果开关井的整体速度不合理，将会导致风险问题的发生，而又无法评估导致的风险。 同时现有柱塞气举控制系统功能单一， 只能进行简单的定时开关井模式，生产制度合理性直接决定气井柱塞气举排液效果［7］，如果制度不合理，无法找到最佳的开井和关井时机，不能保证每次的产气量最大化，不仅造成柱塞气举的低效甚至会失效。 另外，在开采气井的过程中无法完全开采至枯竭，部分情况下需要更换使用其他的举升方式，使得操作人员劳动强度增加，操作和管理成本升高，耗时耗力。

b. 举液效率低，井筒积液后排液困难，容易减产。 随着气田的持续开采，部分水平井产量、压力递减快，表现出不同程度井筒积液特征。 组合管柱水平井由于特殊的井身结构，常规柱塞工艺存在坐落器投放难度大、举液效率低、井口装置压裂砂冲蚀严重等问题，影响柱塞举升效率和推广应用，受限于水平井特殊井身结构，气井所需临界携液流量高，同时泡沫排水、速度管柱及提产带液等工艺措施效果不佳［8］， 井筒积液后排液非常困难，井筒中只要少量液体集聚，就会增大对气层的回压，而这种现象存在，就有可能造成气井严重减产。

c. 需要定期关井憋压积攒能量举升柱塞，且关井时间难以准确估计， 对优化控制影响很大。柱塞想从井口下落，必须关井停产，有些气井还需要继续关井实现压力恢复，才能积攒足够举升能量携出柱塞，严重影响生产时效，而柱塞下落至井底的时间较长， 由于柱塞与油管间隙小，柱塞受到下落的摩擦力、气体的阻力和托举力的作用，在油管中下落的速度变得很慢，在实际使用中，3 km 的气井， 柱塞下落至缓冲卡定器的时间在35～50 min，大幅降低了井组的工作效率。

d. 多井生产的压力串扰现象严重，复杂串扰机理严重影响整体产能提高。 对于一个生产平台上若干口柱塞气井来说，会存在气井间压力互相影响的问题，一个井场的柱塞气举井运行过程中形成抑制，或者因开井压力波动变化较大，会导致柱塞气井回压受到影响［9］。同时，所有气井用的是同一根外输管线，每一口井的开井生产都会提高外输管线的压力，而管线压力增高会造成气井减产，彼此存在压力串扰现象。 洞悉复杂压力串扰机理，对作业制度制定和优化至关重要，也是提高整体产能的重要关键技术瓶颈。

2 柱塞气举单井操作优化过程模型研究进展

柱塞气举操作的可控因素主要包括开关井时间、油套压和井筒积液高度。 当已知气井开关井时间和油套压时， 随之可得井筒积液高度，而当已知开井时间和开井套压时，开井油压也可得到。 所以开、关井时间和开、关井套压为柱塞气举操作优化的4 个重要参数，换言之，做好柱塞气举单井操作优化工作就是做好压力和开关井时间的优化工作。

2.1 井筒压力计算

针对气液两相流井筒压力计算的研究，国内外诸多学者针对不同的理论提出了大量的井筒压力计算模型，模型研究从初期的经验模型逐渐趋向于机理，模型精度也逐步提高。

Orkiszewski J 从两相管流流型出发， 建立了使用范围较广的两相流流型的压降计算模型［10］。Beggs D H 和Brill J P 在均相流模型的基础上，结合两相流的压力梯度方程进行倾斜管流实验，提出了两相流管流阻力系数与截面持液率和含气率的关系模型［11］。 周生田和张琪不计水平井筒的两相流动的加速度压降，利用已有变质量流动基础，对研究微元进行了流入流出分析，建立了水平井筒气液两相的压降计算方法［12］。 刘想平等则根据质量守恒定律和动量定律建立了流体的井筒流动和地层流动的耦合模型［13］。 Gomez L 等从机理特征入手，对垂直井和水平井的两相管流进行研究，将流型划分为段塞流、环形流及分层流等，建立了垂直井、水平井两相管流压降计算模型［14］。 李媚等提出了不同的气液比对应不同的压降计算方法［15］。Hasan A R 等转换思路，从漂移模型出发，提出了一种全新的持液率压力梯度计算公式， 因为该公式包含分布系数和漂移速度，所以适用于 各种流型［16］。 Bhagwat S M 和Ghajar A J 在已有漂移模型的基础上做了修改， 建立了不依赖流型判断的井筒压降计算模型［17］。 李波等则在漂移模型的基础上，考虑井筒温度和压力瞬态的耦合，结合热力学知识，建立了耦合模型［18］。

学者们从机理出发，建立了压降模型、压力、温度耦合模型，但现有模型和算法需要大量准确的数据信息作为支撑，可现场实际情况却缺乏完备高效的数据采集硬件基础条件，且受复杂工况的影响，采集的部分数据本身就不准确，使得以此为基础搭建的模型准确度不高。 因此，数据不准确且有限，同时干扰因素较多，是亟需解决的问题。

在得到了准确的压力数值之后，如何进一步指导单井生产，宁碧等总结了现有柱塞举升排液采气的流入动态方程，依据压力数值可得单井的产能，进而便于直观地进行操作［19］，但方程中的产能系数和产能指数落实到现场每口井比较困难，如若可以结合现场实际情况，利用生产数据作为支撑并结合数据挖掘和驱动理论，得到较为准确的参数，会更方便现场操作的实施。

2.2 柱塞气举开关井时间

柱塞气举的开关井时间对操作优化意义重大，是操作优化的重要指导信息。 Subash K K 等对特定井进行分析，评价井的生产状况，在此基础上， 利用瞬时模拟软件得到开关井时间［20］。Hashmi G M 等则给出了较为完备的假设条件，从机理出发得到开井的最低套管压力公式和储层模型［21］。 梅华平等基于井历史数据得到地层压力测算模型和井筒积液测算模型，并以此为基础得到开关井最低套压值［22］。 王晓辉等则利用历史数据得到关井压力恢复曲线，以载荷系数为主要依据进行开关井控制［23］。 Wang H 等没有借助数据，推导得到了关井时套压与关井时间成对数线性关系，并给出了通用公式［24］。 Naresh N N 等从柱塞气举整体入手，使用9 个连续状态变量来描述动态过程（包括液体的质量、柱塞的位置及速度等）， 使用6 个二元状态变量来表示柱塞举升周期的6 个阶段，然后将6 个状态的值取平均得到连续的阈值，从而转化成ARX 模型，再求解得到开关井的时间［25］。 林鹏等则依据历史数据提出一种智能化控制开关井的模型［26］。

国内外学者大致从两个思路出发：一是由机理入手推导得到压力模型或积液模型等作为开关井的依据；二是基于历史数据，利用软件进行模拟，进而得到开关井的时间。 但这两种思路都存在亟需解决的问题。 建立机理模型做了大量的假设条件，加上模型中的重要参数取自特定场景下的试验井， 所以是较为理想状态下的模型，不具有普遍性，并不能满足实际生产的需求。

利用软件结合数据挖掘进而指导柱塞气举工艺，现有成果的广度和深度不够，且只适用于一定的生产条件，具有局限性。 如果将柱塞气举机理模型和数据挖掘有机结合，会有突破性的进展。

3 柱塞气举井群操作问题研究进展

柱塞气举井群操作优化相较于单井操作优化，在单井操作优化的基础上，需要考虑多井生产的压力串扰和整体生产调度问题。 一个生产平台上的若干口柱塞气井之间，会存在彼此压力互相影响的问题，影响一方面存在于井底，由于连通性、渗透等导致的压力串扰影响；另一方面也存在于从井口到集气站井之间的相互影响，即回压影响， 开井时管网整体压力上涨影响生产，关井时管线产量降低造成管道积液易冻堵问题。 生产调度则要综合考虑井的生产、运输及产量分配等约束给出整体的生产方案。

3.1 井间压力干扰问题

井间干扰是常规和非常规资源开发中普遍存在的现象，而井底压力干扰大概率出现在存在天然裂缝的地层中［27］，文献［27］结合数值、半分析和分析模型工具，以识别、分析和可视化井间干扰过程开发了物理模型，以定量模拟井干扰的压力反应。 陈京元等指出，压力干扰分为基质连通和裂缝连通两种，基质连通形成的干扰信号需要较长时间甚至数年才能被采集到，而裂缝连通产生的干扰信号较为强烈， 短时间即可采集到，陈京元等分别从线性流公式和物质平衡方程出发，给出了压力和时间的对应关系公式［28］。 何乐等则利用灰色关联分析方法评价了10 项因素（从大到小依次为井间距、巷道位置、母井生产时间、单簇用液规模、裂缝程度、单段孔数、单段簇数、单段用液规模、垂深和施工排量）与压力扰动的关联程度［29］。 Kumar A 等提出一种基于示踪剂分析和压力干扰数据分析相结合的多井区块压裂水平井间干扰程度计算方法，采用一种有效的储层模型来模拟生产过程中井间的压力干扰［30］。

在井口压力干扰方面，刘孟鹏等针对井口针阀节流，利用公式推导得到了回压对单井的影响［31］。 王林等从支线输送压力对气井影响、管线积液两方面入手，提出降低输送压力的方法［32］。

现有的井底干扰考虑的对象仅局限于两口井，即母井受到子井干扰的情况。 而在实际生产中， 一个地层井群中的每口井都存在压力串扰，是一个大规模的压力干扰问题，同时压力串扰会随着井的生产时间增加而发生变化，需要实时做出改变。 研究表明，井间位置、压裂时间等可有效降低压力串扰程度，所以压力干扰优化也是未来有效提高气井产量和恢复速度的重要研究课题。

目前，关于井口干扰的研究较少，而且没有从井群的角度进行分析，大多是从管线对单井的回压角度展开的研究。 这也是未来柱塞气举井群生产提高生产效率的重点研究方向。

3.2 井群生产调度

井群生产调度是从整体考虑，以阀门、单井开关及管道状态等作为决策变量，产量、压力及温度等作为约束条件，搭建模型求解给出整体的井群生产调度方案。 阀门和管道状态相对于柱塞气举操作优化来说，很大程度上更能满足下游的需求。 文献［33］中，Liu E B 等以管道稳态运行能耗最小或经济效益最大为目标，建立了管网稳态优化模型。 而在文献［34］中，Liu E B 等又以最小能耗为目标函数，建立了天然气管道瞬态优化模型，其中考虑了压缩机的开关状态和管道末端状态，引入了调压和限流措施。 Shah M S 等采用节点分析法，将从油藏到分离器出口压力的每个部件识别为系统中的阻力， 采用F.A.S.T.Virtu Well软件包对节点进行分析，通过降低井口压力提高了产量［35］。 Hoffmann A 则从阀门入手，利用阀门解决出气搭建模型，从单井到井群再到处理站约束，利用分段线性模型（SOS2）转混合整数非线性规划（MINLP）为混合整数线性规划（MILP），然后利用商用求解器进行求解［36］。 国内方面，学术界和工业界在井群生产调度层面研究较少，郑道明等根据气田的实际情况，以套压和载荷因数作为调整作业制度的依据［37］。 刘华敏等根据单井的平均产量对气井进行分类，然后实施对应的工作制度［38］。

现有报道中，工业界的生产工作制度的调整和优化过多依赖现场人员的经验，效率低且不够精确，学者们在整体层面上以压缩机开关状态管道末端状态、阀门等为约束条件，搭建生产优化模型， 但其中没有考虑单井产量与外输压力、外输压力与总流量、柱塞上升/下降时间与套管与外输压力差值，以及气井压力恢复时间与井下液位等多项生产约束，具有一定的局限性，对上述生产约束加以考虑， 形成多井群协同生产优化模型，会对柱塞气举操作优化有重要指导意义。

4 柱塞气举井操作优化算法研究进展

柱塞气举操作生产调度研究的核心内容就是调度算法的研究和优化。

生产调度问题的分类方法较多，依据复杂程度， 可将生产调度分为单机调度、Shop 调度及并行调度等；根据优化准则，可将生产调度分为基于代价和性能的调度； 也可根据生产环境的不同， 将生产调度分为确定性调度和随机性调度；同时， 也可根据加工任务或者加工工件的特征，将生产调度分为静态调度和动态调度［39］。

调度问题方法上， 最初主要是数学规划居多，Chen J S 和Pan J C H 将数学规划建模方法应用于生产过程调度问题［40］。 李光华等则运用MILP 模型求解了石化行业生产调度问题［41］。 文献［42，43］采用运筹学的分支定界法，在上下界确定方法上进行了理论研究，并应用于生产过程调度问题。

之后，启发式算法逐渐发挥作用，基于启发式规则的方法， 具有难度低和运算简便的优点，文献［44，45］都在简单启发式算法的基础上，利用调度问题求解过程中的信息，分别构造了SVS算法和PH 算法； 国内学者刘忠耀等采用启发式算法结合计算机软件编程对生产调度问题进行了求解，并取得了相对满意的方案和成果［46］。

基于仿真的方法也是常用的建模方法，可以借助数据支持解决复杂问题，但工作量大、费用昂贵，Chan F T S 等将过程仿真模型应用于典型的生产过程调度问题［47］。

另外，Chen Y 等还研究了基于多智能体代理的建模方法［48］。 基于人工智能的方法，赵博在前人工作的基础上提出了MAS 技术的各种调度算法的集成［49］；石柯和李培根提出多智能体技术，结合协同式策略，采用AI 技术来求解调度问题［50］。

此外，人工神经网络具有较强的自主学习能力和鲁棒性强， 也被很多学者应用到调度优化。近年来，国内学者谈宏志等［51］和国外学者Teymourifar A 和Ozturk G［52］都采用了神经网络集合启发式算法来解决经典的生产调度问题，提高了算法的性能以及对环境的适应性。

目前，在生产调度领域的算法研究工作存在以下几个问题：

a. 现有的理论没有与现场实际情况相结合；

b. 每个算法都有各自的优点，但鲜有能将多种算法有机结合的成果；

c. 调度优化算法在生产调度领域，尤其是柱塞气举工艺应用中较少。

今后， 在以上3 个问题上进行算法的攻克，并应用到柱塞气举工艺上，将会取得开创性的研究进展。

5 结论与展望

笔者从单井优化模型、井群优化模型和优化算法3 个方向入手，综述了柱塞气举操作优化当前已有的学术研究成果，在此基础上，根据现有的研究进展以及现存的实际问题，对未来发展方向进行展望如下：

a. 针对井群间的压力干扰问题，目前现有的研究集中在井底压力串扰上，对于井口压力干扰研究甚少， 而这恰恰是现场亟需解决的关键问题。 从牛顿第二定律、物料及能量守恒等入手搭建模型，结合现场数据、图表曲线进行分析是好的切入点，同时合理使用神经网络进行求解也是解决此类问题的重要方向。

b. 随着数字气田的快速发展，数据自动化采集已普遍应用于各大气田，柱塞气举系统积累了包括柱塞气举参数、地质参数、生产参数、可控参数及流体参数等的大量数据，借助于采集和储存的各口井、各个时段和各个参数的数据，对数据进行合理有效的预处理，通过数据挖掘从有效数据中挖掘有价值的信息， 通过数据提取等方法，对不准确数据总结其中的规律。 对于极其复杂难以搭建机理模型的工艺， 可以采取简化为线性、对数线性或者其他模型，然后在此基础上利用拟合、数据驱动等方法得到模型参数，进而得到符合现场要求的工艺模型，对气井柱塞气举老井优化和新井设计具有重要的指导意义。

c. 从全局角度出发，在单井模型和井群模型的基础上，以单井套管压力、开关井模型及井群压力干扰等作为约束条件，以效益最大、成本最低为目标函数， 搭建柱塞气举整体生产调度模型，利用现有较为成熟的调度算法结合生产实际情况进行模型的求解。 从静态到动态，从单目标优化到多目标优化，并且从开环向闭环优化进行发展，同时促进监测、诊断和实施优化技术的提升，成为提高气田开发企业核心竞争力和效益的重要保障。